DE1565159A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Laser-Schweissen - Google Patents
Verfahren und Schaltungsanordnung zum Laser-SchweissenInfo
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Description
Patent iiwalt . Dipl.-lng; Qerhard Sdiwan r n
München 8, Qoerzer Str. 15 IDOOlO -: ! j ~" - ,
München 8, Qoerzer Str. 15 IDOOlO -: ! j ~" - ,
j Dr. Expi.J
UNION CARBIDE CORPORATION 270, Park Avenue, Neu* York, N.Y. 10017, U.S.A,
Dia Erfindung bafiflt siel·· mit dam Snhuiaißan mittala Laserstrahl
und betrifft insbesondere ein Leser-Schmaißi/arfahren,
bei dam dia arhaltena SchuiaiQung ein verhältnismäßig
großes Verhältnis v/on Tiefe zu Breite hat, soiuie ains
Schaltungsanordnung zur Durchführung eines darartigen Verfahrens.
Dar Laserstrahl stallt eine extrem energiaraicha lliärmequelle
dar, die as ermöglicht, UJärmeübartragungeintensltäten
odar Leistungsdichten zu erzielen, die mehrere Grö-Qanordnungen
Ubar denjenigen des herkömmlichen elektrischen SchuiaiOlichtbogena liegen. Die Intensität des Laserstrahls
muß in geeigneter Uiaiee gaatauart werden, da as
leicht möglich ist, einem Uiarkstück mehr Energie zuzuführen,
ala in das UJerketUck eingebracht »erden kenn* Diese
übermäßige Intensität führt zu einem Kochen des Werkstoffs
an dar Oberfläche, wodurch Löcher anstelle von SchujeiOungen
erhalten werden. !Degen der Gefahr, Löcher statt Schiuai-Qungan
herzustellen, wurde bisher die Intaneität oder Leistungsdichte
des Laserstrahls so eingestellt, defl die U!ärmaeinbringung
in das metall durch lüa'realaitung durch das
Betall hindurch erfolgt. Es wurde jedoch gefunden, daß durch geeignete Voreinstellung der Intensität des Laserstrahls
dessen Bestreben, Löcher auszubilden, «it Vorteil derart ausgenutzt werden kann, daß dl· aus de« Laserstrahl
stammende Wärmeenergie dem Retall i« unteren Bereich und
an den Seiten der Löcher unmittelbar zugeführt wird, worauf man "das Loch sich mit geschmolzenem Ma tall füllen läßt,
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bevor Übermäßige Verdampfung eintritt. Dieses Verfahren
wird vorliegend als Bohr-FUll-Varfahren bezeichnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Schweißungen alt große« Verhältnis
von Tiefe zu Breite mittels einer pulsierenden Laaer-Energiequelle
zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe ist die Schaffung einer Schaltungsanordnung} mittels deren die Laser-Wär«aquslle in einer geuiünschten
Zeitabfolge erregt werden kann.
Erfindungsgamäß ist ein Laser-SchweiBverfahren, bei de«
mindestens ein Impuls ausgelöst wird, der die Entladung mindestens einer einer Laserqualla zugeordneten Strahlungsquelle
bewirkt und bei dem die frei «erdende Laaerenergie
zur Bildung eines Schmelzbade gebündelt auf ein Metallisches Werkstück gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leistungsdichte des Laserstrahls a« Brennfleck innerhalb des durch die Gleichung
C (K + 0,2) (Tb - To)
bestimmten Bereichs gehalten wird, vobei der untere Grenzwert
bei C 3 3 und der obere Grenzwert bei C * 9 liegt und
I s Leistungsdichte des Laserstrahl· aai Brennfleck
(tUatt/cm2) '
E s Strahlungsabsorptionsvsrmögan des letalIe bei der
Wellenlänge des Laserstrahls
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d- s MfärMediffueionevermögen des metalle (cm /sac)
θ = Dauer des Lasorimpulses (see)
d = Durchmesser des LassrbrennPlecks (cm)
Waltere ISerkmale, Vorteile und Anuiendungsmöglichkeiten der
Erfindung ergeben eich aus der folgenden Beschreibung von
Aueführungsbaispielen in Verbindung mit den Zeichnungen.
Eo zeigt*
Figur 1 eine schßmatische Darstellung einer zur Durchführung
des Verfahrene nach der Erfindung beispielsweise
verwendbaren Vorrichtung,
figur 3 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Steuerung der Arbeitsweise dee Lasers nach
Figur 1, und
oder Leistungsdichte, aufgetragen über dar ZaIt9
aue dar dar Bereich zu entnehmen ist, innerhalb
dessen das Bohr-Füll-Verfehran nach dar Erfindung
durchführbar ist.
Die Erfindung beruht auf dar Erkenntnis dar Bedeutung de·
Siedens an der Werkstückoberfläche beim Laeer-SchveiQen»
Bei praktisch eilen anderen Schwei8-IVHrnaquellen alt Auenahne
dee Elektronenstrahls reichen die UfärmaUbertragungaintenaitäten
nicht aus, um ein Sieden an praktiech allen Metalloberflächen herbeizuführen. Bei Vervendung eines
Laeeratrahle let ein Sieden an der Werkstückoberfläche
allgemein zu beobachten. Beispielsweise kann eine Lasar-Ausgangsenergie
von 10 3oule bei einer Impulsdauer von
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.-.■■.'-,■-■ - - BAD ORIGINAL
C,001 Sekunden laicht erzielt werden. Diese Energie führt
zu einem Obarflächeneiaden bei Eisen, Kupfer und Aluminium,
uienn der Laserstrahl gut gebündelt ist. Das Austraten
dieses Effekts begrenzt die Wärmemenge, dia in das metall
eingebracht werden kann, eouiie die Tiefe dar Schmalzzona,
die durch Wärmeleitung allein zu erreichen ist.Wärme kann
in metall nicht schneller eingebracht werden als mit der
Geschwindigkeit, die erreicht ujird» wenn die Metalloberfläche
auf ihrem Siedepunkt gehalten wird. Ein Obarflächenaieden
kann auch zu Bohreffekten im metall führen. Dies beruht auf dem RUckdruck des die Überfläche verlassenden
verdampften Iflatalls.
Oei einer vorgegebenen Impulsdauer mächst die Tiefe der
Schmelxzone mit steigender Laser-Energie bis zu einem Grenzwert
an. liiird die Laser-Energie weiter gesteigert, beginnt sich der Druck auf der geschmolzenen Oberfläche aufzubauen,
während metall v/erdampft. Wird die Laser-Energie hinreichend
erhöht, übt der Druck eine Meißel- oder Bohrwirkung aus, bsi dar geschmolzenes Metall zur Saite gedrückt oder heftig
herausgeschleudert uiird. Dabei sind zwei Verhaltensweisen möglich. Der Laser-Strahl kann ein Loch bohren, wobei wenig
oder kein mieder erstarrtes Metall an dar Grundplatte haften
bleibt, nachdem der Impuls beendet ist. Diese Erscheinung ist bekannt. Bai der vorliegend gefundenen Betriebsart
uiird ein Loch gebohrt, das anschließend durch geschmolzenes metall gefüllt uiird. Die erhaltene Schweißraupe hat
eine erheblich größere Tiefe ^e sie bisher erzielbar uiar.
Das Bohr-FUll-Varfahren erfordert eine sorgfältige Steuerung
der Ausgangsenergie das Lasers, um ein Herausschleudern das geschmolzenen Metalls zu vermeiden. Der Bereich, innerhalb
dessen dar Bohr-Füll-Effskt eintritt, uiird durch die
obige Gleichung definiert und stallt einen schmalen Bereich dar, der zwischen dem Bereich der üblicfien Wärmeleitung und
dem Bereich liegt, innerhalb dessen Löcher erzeugt warden (Figur 4).
909886/0688 8AD origiNal
Bel dem Bohr-FUll-Verfahrsn müssen zahlreiche Parameter
berücksichtigt warden* Dia»θ Parameter ändern aich von
metall zu metall. U/i β aus dar Gleichung hervorgeht, können
daa Absorptionsvermögen der metalloberfläche und die Wärmeleitfähigkeit dea metalls den Prozeß beeinflussen.
Entsprechend den Figuren 1 und 2 ist ein typischer Laser
zur Durchführung der Erfindung mit einen Körper 10, vorzugsweise aus Aluminium, versehen, dessen Innenfläche 16
hoch poliert ist. Der Körper 10 hat die Form von vier
Teilellipsen 12, deren Brennpunkt in Kristall 18 liegt·
Vier Energiequellen 14, beispielsweise Xanonlanpan» befinden
sich in jeder Ellipse 12. Der Kristall besteht aus einem Werkstoff, bei dem ein Laser-Effekt auftreten kann.
Er ist beispielsweise ein einziger Rubinkristall.
Der Kristall 18 ist in einen Dswar-Gefäß 20 aus Glas untergebracht.
Kaltes Stickstoffgas wird über nicht veranschaulichte Einlasse und Auslässe in das Dewar-Gafäß eingalaitat
und um den Kristall herungeführt. Eine Kondensation auf der Außenfläche des Detuar-Gefaßes und am Ende
22 das Laser-Kristalls wird verhindert, indem trockenes Stickstoffgas über nicht dargestellte Einlasse und Auslässe
in den von den vier Teilellipsen 12 gebildeten Hohlraum und zu dem Ende 22 geleitet wird. Nach Anregung durch die
Energiequellen 14 wird vom Ende 22 des Laear-Kristalla
ein sshr intensiver Strahl aus kohärentem Licht emittiert.
Dieser intensive Lichtstrahl wird dann durch eine Linse 26 hindurch gebündelt gegen das zu schweißende Werkstück
24 gerichtet.
Wie erwähnt, ist der auf das Werkstück übertragene Intensitätewert
zur Erreichung des Bohr-Füll-Effakts kritisch.
Infolgedessen ist dia Folge, in welcher der Laser-Kristall angeregt wird, von Bedeutung.
BAD ORIG'NAL
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Bei Verwendung einer Vorrichtung der in dan Figuren 1 und
2 veranschaulichten Art können je nach der erforderlichen Leistung und Zeit sämtliche Lampen 14 gleichzeitig, paarmal
β a oder einzeln gezündet werden. Nimmt man beispielsweise an, daß jede Lampe auf maximal 2000 3oule bemessen
ist, würden alle vier Lampen gleichzeitig gezündet, mann
Θ000 Joule erforderlich sind. Sind 3000 Joule erforderlich,
könnte eine Lampe mit voller Leistung und gleichzeitig eine weitere Lampe mit halber Leistung betrieben «erden.
Ist entsprechend einem weiteren Beispiel eine lange Zeitfolge erwünscht, kann das Zünden der Lampen so aufeinander
abgestimmt werden, daß eine Leietung-Zeit-Kurv/e der
arforderlichen Amplitude und Zeit erhalten utird.
Figur 3 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Schal·
tungsanordnung für ein Zünden der Lampen 14 in gewünschter
Abfolge. Allgemein wird ein Zünden in zeitlicher Reihenfolge durch eine Reihe von bistabilen Sultivibratoran
30a, 30b, 30c und 3Od sowie von TaetuerstBrkern 32a, 32b,
32c und 32d erreicht. Eine Reihe von Impulsen nit vorbestiMmtem
Verzugerungsabstand «Ird durch den Sperrschwinger
34 erzeugt, de* eine Vsrzägarungaelnstellung 36 zugeordnet
ist. Die von den Sperrschwinger abgegebener! Impulse
werden den Eingängen aller vier Tastverstärker zugeführt. Den Lanpen 14a, 14b, 14c und 14d wird jedoch noch kein
Ausgangssignal zugeleitet, da die zugehörigen bistabilen Rlultivibratoran noch gesperrt sind. Un die Lampen zu zünden,
wird sine ZUndtaste 40 gedrückt, die ein Quscksilberrelais
im Triggergenerator 42 schließt, wodurch ein einziger Impuls erzeugt wird. Dieser Inpule wird den Multivibrator
30a zugeführt, der in den leitenden Zuatand unschaltet und eine Vorspannung an den Tastverstärker 32a anlegt,
die bewirkt, daß der Tastverstärker 32a den nächsten vom Sperrschwinger kommenden Triggeriütpule durchläßt, um
die zugeordnete Lampe zu zünden. Der von Sperrschwinger ausgehende Impuls tuird ferner zu dem Multivibrator 30a
BAD ORfGiNAL 909886/0688 NAL
■- 7 -
zurückgeführt, um diesen winder Ln den ursprünglichen Sperrzustand zu bringen. Ferner «ird der Iapuls weiter
an den multivibrator 30b gegeben und nacht diesen leitend,
so dafl der Tastverstärker 32b geöffnet wird, wenn der
nächste Impuls vom Sperrschwinger erscheint. Diese Folge wird aufrechterhalten, bis alle vier Lampen gezündet und
sämtliche fliultivibrataran zurückgestellt sind. Die Verstärker
lassen keine weiteren Triggerimpulse durch, bis
ein neuer .Startimpuls von dem Triggergeneratar 42 abgegeben
wird, nachdem dia Zündtaste losgelassen und erneut gedrückt u/urds.
Andere Folgen auQer der oben beschriebenen können leicht
dadurch erhalten werden, daß ein (nicht veranschaulichter) Folgsechalter vorgesehen wird, der den Leitungsanschluß
44 für den vom Triggergenerator kommenden Impuls lindert· Vier einstellbare Folgen sind beispielsweise!
1. 14a - Verzögerung - 14b - Verzögerung - 14c - Verzögerung
- 14d. Dies entspricht des oben beschriebenen AnachluB.
2* 14a und 14b - Verzögerung - 14c - Verzögerung - 14d.
Für diesen Zweck ist die Leitung 44 an die lultivibrätoren
30a und 30b anzuschließen und ist die Leitung 46 hinter den Bultivibrstor 30a zu unterbrechen.
3. 14a und 14b - Verzögerung - 14c und 14d. Für eine solche Folge let die Leitung 44 Mit den lultivibratoran 14a
und 14b zu verbinden» Die Leitung 46 ist zu unterbrechen.
Ferner let die Leitung 46 alt beiden lultivibratoren
14c und 14d zu verbinden und ist die Leitung SO zu unterbrechen.
4. 14a, 14b, 14c und 14d (alle gleichzeitig). FOr diesen
Zweck ist die Leitung 44 an alle vier Bultlvibratorsn
anzuschließen. Die Leitungen 46, 4Θ und 50 sind zu unterbrechen.
80988670888 BADORlQiNAL
Es versteht eich, daß beliebige Kombinationen durch geeigneten
Austausch'der Leitungen 44, 46, 48 und 50 hergestellt
werden können* Auch brauchen nicht alle vier Lampen gazUndet zu werden. Jede Lampe kann einfach dadurch
ausgelassen werden, daß der ihr zugeordnete Kondensator nicht aufgeladen wird.
Die folgenden Daten zeigen Beispiele der Anwendung des oben beschriebenen impulauisise arbeitenden Lasers zur Erzielung
einer SchweiOung im Bohr-Füll-l/erfahren.
Rostsi- cherer Stahl |
K | K | k | E | 0,05 | d CR |
Al | 0,05 | 0,53 | 5100 | 0,40 | Gemesse ne Energ. Joule |
0,051 |
Cu | θ (Rilliaek. |
0 fflillisek. |
ZUndg. d.Lamp. |
Spanng. ea. |
11 | I |
4 | 2 | 14b-14a 14a |
2000 | C* | 1,35x10b | |
I K |
k | E | 0,91 | d CR |
||
0,94 | 2330 | 0,20 | Gemesse ne Energ. Joule |
0,051 | ||
0 fflillieek. 1 |
Zündg. d.Lamp; |
Spanng. "*ea. |
6,5 | I | ||
2 | 14a- 14b |
2000 | * | 1,35x106 | ||
k | E | 0,91 | d CH |
|||
2Θ70 | 0,15 | GSRSSSS- ns Energ. Joule |
0,051 | |||
ZUndg. d.Lamp. |
Upanng. es. |
10,5 | i | |||
14b- 14b |
2000 | 2,58x106 | ||||
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ORIGINAL
Claims (7)
- Patentansprüche1« Laser-Schiveißuerfahrsn, bai dsm mindestens ein Impuls ausgelöst ui.ird, der die Entladung mindestens einer einer Laserquelle zugeordneten Strahlungsquelle bowirkt, und bai dem dio frei wardande Laser-Energie zur Bildung, eines Schmelzbads gebündelt auf ein me~ taJ.li3ch.es Werkstück gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte des Lauerstrahls am Brerinfleuk innerhalb des durch die GleichungI a=Λε fdTÖ [\ - β 2^bestimmten Bereichs gehalten uiird, wobei der untere Grenxuiart bei C = 3 und der obere Granzuisrt bei C β 9 liegt undI 3 Leistungsdichte dee Laserstrahls am Brannfleck (UJa t t/cm2)K = Wärmeleitfähigkeit das Metalls (cal/cm sec 0K) Tb = Siedepunkt des metalls (0C)T * Ausgangstemperatur das Ifletalls (^-Zimmertemperatur)E a Strahlungsabsorptionsvermögsn des metalls bei dar Wellenlänge des LaserstrahlsCL s UJärmediffusionsv/ermögan des Metalls (cm /see) θ a Dauer des Laserimpulses (see) d a Durchmesser des Laserbrennflecke (cm)
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Strahlungsquelle in einer Zeitfolge gezündet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung in uorbBstimmter steuerbarer Folge vorgenommen tsiird.909886/0688 8AD QR!GlNALAO
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Strahlungsquelle mittels eines Startirapulses gezündet wird, der vor Zilndan der Strahlungequalle für eine vorbestimnite Zeitspanne gesperrt wird.
- 4· Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit vier Strahlunrjoquallen gearbeitet aird.
- 5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4, mit. einem mit der Strahlungsquelle elektrisch verbundenen Impulsgenerator zum Zünden dar Strahlungsquelle, gekennzeichnet durch eine Verzögerungestufe, welche den von dem Impulsgenerator an die Strahlungsquelle abgegebenen Impuls um eine vorbestimrate Zeitspanne verzögert, sowie durch einen weiteren Impulsgenerator, der die von dem ersten Impulsgenerator abgegebenen Impulse die Strahlungsquelle zünden läßt.
- 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch ijekennzeichnet, daß der weitere Impulsgenerator ein Sperrschwinger ist.
- 7. Schaltungeanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dis Varzögerungestufe einen bistabilen Multivibrator und einen Verstärker aufweist.909886/0686A*
Leerseite
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